Perché gli atomi si legano

Per rompere una mole di legami H-H servono 436 kJ, quindi due atomi di idrogeno sono molto più stabili insieme che separati.

Quasi niente intorno a te è fatto di atomi singoli e separati. L'aria è formata soprattutto da molecole di N₂ e O₂, l'acqua è H₂O, e un granello di sale è un blocco di sodio e cloro impacchettati a miliardi. Solo i gas nobili vagano come atomi isolati. La vera domanda quindi non è se gli atomi si uniscono, ma perché lo fanno, e perché alcune combinazioni avvengono e altre mai.

Energia più bassa significa più stabile

Una palla su un pendio rotola giù e resta nella valle. Gli atomi seguono la stessa regola con l'energia. Quando due atomi di idrogeno si avvicinano, l'elettrone di ciascuno è attratto da entrambi i nuclei. Fino a un certo punto questa attrazione supera la repulsione tra i due nuclei e tra i due elettroni, e l'energia totale scende. A una distanza di 74 pm l'energia raggiunge il punto più basso. Se spingi i nuclei più vicini prevale la repulsione; se li allontani devi rimettere energia. Quella valle è il legame.

La profondità della valle è l'energia di legame. Per l'idrogeno è 436 kJ per ogni mole di molecole, cioè circa 6 × 10²³ legami. Questa energia va fornita per separare le molecole, e viene liberata quando gli atomi si uniscono. I combustibili funzionano così al contrario: quando l'idrogeno brucia si rompono legami più deboli e se ne formano di più forti nell'acqua, e la differenza esce come calore.

Come si fa a misurare una distanza di 74 pm? Nessuno usa un righello. Le molecole ruotano e vibrano, e assorbono la luce solo a certe frequenze che dipendono da quanto sono lontani i loro atomi e da quanto è rigido il legame. Misurando quelle frequenze con uno spettrometro, lunghezza e angolo di legame si ricavano con il calcolo. Il NIST Computational Chemistry Comparison and Benchmark Database raccoglie queste geometrie misurate, e ogni lunghezza e angolo di legame nei modelli 3D di questo corso viene da lì.

Lo schema del livello completo

I chimici hanno un modo rapido per prevedere quali legami si formeranno. I gas nobili, con il livello esterno completo, reagiscono appena, quindi un livello completo sembra una disposizione comoda. Molti atomi si legano in modo che ciascuno abbia un livello esterno completo, di solito 8 elettroni, oppure 2 per l'idrogeno. È la regola dell'ottetto. Il chimico statunitense G. N. Lewis descrisse la coppia di elettroni condivisa nel 1916, e i suoi diagrammi a punti si usano ancora per contare gli elettroni nei legami.

Ci sono tre modi per arrivare a un livello completo, e corrispondono ai tre tipi principali di legame. Un atomo può cedere elettroni a un altro, formando ioni tenuti insieme dall'attrazione elettrica: un legame ionico. Due atomi possono condividere coppie di elettroni, così ciascuno conta come propri quelli condivisi: un legame covalente. Oppure un'intera folla di atomi di metallo può mettere in comune gli elettroni esterni: un legame metallico. Quale dei tre avvenga dipende soprattutto dall'elettronegatività, l'attrazione che ogni atomo esercita sugli elettroni.

La regola dell'ottetto è una guida, non una legge. Il boro in BF₃ si ritrova con soli 6 elettroni esterni, e lo zolfo in SF₆ ne ha 12. I metalli di transizione seguono un conteggio tutto loro. Per i primi venti elementi e per i composti di carbonio, azoto e ossigeno, però, funziona sorprendentemente spesso, ed è il punto giusto da cui partire.